紫外光通信大气信道模型研究

式中 ξ=ct/r；tmin、tmax分别为到达交叉部分最小矢
径、最大矢径的时间。对g[φ(ξ, η)]积分，得到交叉
部分总散射体散射的能量。光源发射能量经衰减后
的能量与散射体散射能量的乘积在时间范围内积
分，可得到探测器探测到的总能量。
r a. βT=βR=90º
(考虑到实际系统，θT一般取小于45º)时，得到与前 面相同的结论。βR、βT取不同值时，仍可得到同样 的结论。理论上，根据非视距单散射模型、斜收发 情况下，最小矢径高度降低，信道容量增大，接收 能量增加，损耗降低，与仿真结果吻合。因此在紫 外光通信系统设计过程中，在保密通信距离内，应 采用斜收发的情况，减少系统传输损耗，降低对光 源与探测器的要求。
P(θs)为单散射相位函数；g[φ(ξ, η)]为有效散射信道
收稿日期：2006 − 09 − 06 作者简介：张 静(1982 − )，女，硕士生，主要从事紫外光通信方面的研究.
200
电子科技大学学报
第 36 卷
容量。探测器接收到的总能量为：
∫ ER =
tmax
E(ct / r)dt
(2)
tmin
Abstract Ultraviolet (UV) communication bases on atmosphere scatter and absorption. The structure parameters of system are important to UV system. The relationship between transmitter, receiver apex angle, beam divergence, and the value of loss-time delay are simulated by model developed by Luegtten. Energy distributing is elicited in the fixed angles. The value of loss and time-delay is given by simulation calculating in different conditions.
θT在(1º, 45º)内间隔1º变化。通过仿真可得出损耗延 时与接收孔径角的关系如图3所示，损耗与接收孔径 角的关系如图4所示。
第2期
张 静 等: 紫外光通信大气信道模型研究
201
L/d B
τ/μs
由图中可以得出：接收孔径角固定，发射孔径 角增大时，延时、损耗都在减小。发射孔径角固定 时，接收孔径角与延时、损耗关系相同。理论上， 根据非视距单散射模型，当发射与接收孔径角增大 时，信道容量增大，最小矢径值减小；信道容量增 大时，接收能量增大，损耗减少。延时与最小矢径 大小有关，最小矢径值减小时，延时减小，与图3、 图4的仿真结果相一致。因此，紫外光系统设计过程 中，应选取大光束孔径进行传输，降低传输损耗， 减小延时。
202
电子科技大学学报
第 36 卷
3 000 −192 38.60 6.5 −135 15.20 4.6 −123 11.5 2.2
从以上三个方面的仿真可以得出结论：为了减 小系统的传输损耗，在系统设计过程中，发射机和 接收机应采用斜收发(仰角取值均小于90º)；光束孔 径角的选择应尽可能大，这样将减少系统传输损耗 和脉冲延时，便于探测器接收；距离的增大，将增 加传输损耗和脉冲延时，在实际通信过程中应根据 不同的传输距离选取结构参数。
以及传输距离等。其中，发射机和探测接收机的仰
角分别为βT、βR(0≤βT、βR≤ π )；光束孔径角为θR、 θT (0≤θR≤ π ，0≤θT≤ π /2)；传输距离为r。
探测接收机接收到的能量是通过计算位于交叉
部分经大气散射光信号的数量得出的。本文通过非
视距单散射模型[3]计算探测接收机接收到的能量。
1 紫外光通信大气信道理论分析
图1所示为三种不同单对单传输系统模式[2]。由
图可以看出，光信号只有通过发射仰角和接收仰角
交叉部分的散射体散射后，才能到达接收机。光信
号离开光源到达接收机的数量是由系统的几何结构
和大气散射因子(ks)、衰减因子(ke)决定的。几何结 构主要包括光束孔径角、发射机和探测接收机仰角
×10−6 12
10
8
6
4
2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θT/(º)
图3 时延与θT关系图(θR=15º)
−112 −114
−116
−118
−120 −122
−124 −126
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θT/(º)
图4 损耗与θT关系图(θR=15º) 2.3 不同距离特定角度下能量分布图
(1. 电子科技大学光电信息学院 成都 610054; 2. 电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室 成都 610054)
【摘要】紫外光通信是一种新兴的基于大气散射和吸收的无线光通信技术，系统结构参数的选择对系统性能有重要影响。
该文通过利用Luettgen提出的非视距单散射模型，比较了在不同仰角、光束孔径角情况下，损耗、延时、脉冲半宽展宽的变化
−100
−110
−120
L/d B
−130
−140
−150 0
−95
5 10
15 20 25 30 35 40 45 θR/(º)
a. βT=βR=90°
r b. βT=90º，βR＜90º
L/d B
−105 −115
r
c. βT＜90º，βR＜90º
图1 非视距紫外光通信系统
2 仿真分析
在中紫外波段，λ=266 nm时，ks=0.157 km−1； ke=1.23 km−1；P(θS)=1(各向同性散射体)[4]。选取QT = 1 mJ；脉冲宽度为10 ns；探测天线直径为0.2 m。本 文通过改变系统结构参数βT、βR、θR、θT和传输距 离r,研究系统结构参数对传输损耗L、延时τ、脉冲半 宽展宽WP的影响。 2.1 对三种不同收发方式的比较
取θT=15º，r=500 m，θR在(1º,45º)范围内间隔1º 变化。通过仿真可得出，损耗与接收孔径角的关系 如图2(与图1系统分别对应)所示。
由图2可得出：发射孔径角固定时，图2c中损耗 最小。即斜收发情况下，传输损耗最小，垂直收发 损耗最大。接收孔径角固定，改变发射孔径角大小
−125 0
−90
Key words channel model; loss; non-line-of-sight; time-delay; ultraviolet communication
紫 外 光 通 信 主 要 采 用 中 紫 外 波 段 光 波 (200 ～ 280 nm)作为传输介质，由于分子(颗粒)对这一波段 的强吸收作用，使得在近地面太阳光谱中没有紫外 光波段，属于日盲区，减少了对紫外发射光源干涉 带来的干扰。与传统通信方式相比，紫外光通信具 有以下优点：(1) 数据传输的保密性高。由于大气的 强吸收作用，系统辐射的紫外光通信信号强度按指 数规律衰减，这种强度衰减是距离的函数。因此， 可根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率，使 其在通信范围之外的辐射功率减至最小，提高传输 保密性[1]。(2) 系统抗干扰能力强。(3) 可用于非视 距通信。(4) 无需ATP跟踪。目前，国内外信道模型 研究主要采用Luettgen提出的非视距单散射信道模 型，对特定角度下能量分布进行了分析，但没有进 行信道结构参数对传输性能影响的研究。本文利用 非视距单散射模型，对紫外光通信大气信道模型进 行了研究。
第 36 卷 第 2 期 2007 年 4 月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.36 No.2 Apr. 2007
紫外光通信大气信道模型研究
张 静1 ，廖 云1，武保剑2，史双瑾2，邱 琪1,2
1 000 −137 12.80 5.0 −109 5.06 2.3 −103 3.85 0.8
1 500 −152 19.30 5.6 −117 7.59 3.1 −109 5.77 1.2
2 000 −166 25.70 5.9 −123 10.10 3.6 −113 7.69 1.6
2 500 −179 32.20 6.3 −129 12.60 4.2 −118 9.62 1.9
小矢径值增大时，延时增大，脉冲展宽加宽。与图5、 图6和表1的仿真结果相吻合。
表1 传输距离与损耗、延时、脉冲半宽展宽关系表
距离
βR=βT=90º
βT=90º, βR=45º
βR=βT=45º
/km L/dB Τ/μs WP/μs L/dB Τ/μs WP/μs L/dB Τ/μs WP/μs
500 −119 6.44 4.0 −100 2.53 1.4 −96 1.92 0.3
5 10 15 20 25 30 35 40 45
θR/(º) b. βT=90°，βR<90°
−105
Байду номын сангаас
L/d B
−115
−125
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θR/(º)
c. βT<90°，βR<90°
图2 损耗与θR关系图
2.2 光束孔径角选择对系统的影响 仿真中，βT=βR=90º时，取θR=15º，r=500 m，
假设发射机在t=0时刻，发射脉冲能量为QT；发射机
固有圆锥角为ΩT=4 π sin2(θT/2)，则探测器接收到的
能量为：
∫ E(ξ
)
=
QTcks exp(−kerξ) 2πΩT r 2